Регулятор напряжения
A.В.Кобзев, Н.М.Музыченко, В.Д.Семенов, В.А.Сквео и А. В.Тараскин
3 (72) Авторы изебретевия
Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (11) Завввтель (54) РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Изобретение относится к электро- .технике, в частности к статическим регуляторам, стабилизаторам переменного или постоянного тока, и может найти применение. в амплитудных модуляторах, в системах электропитания аппаратуры средств связи, радиоэлектроники, а также в качестве мощнцх усилителей низкой частоты и т.п, Известен регулятор напряжения со звеном повыаенной частоты и устройство управления подобными регуляторами, содержащие инвертор В коммута торов, выполненных по схеме мостового инвертора, задающий генератор со: встречно изменяющимися пилообразными напряжениями и двумя каналами уп равления каждым коммутатором, который позволяет регулировать выходное напряжение методом многоэонной реверсивной аиротно-импульсной модуля» ции в больаем диапазоне, дискретными уровнями по амплитуде и плавно за счет ШИМ в каждой зоне (1) и 2).
Недостатком данного устройства является то, что при изменяющихся то5 ках нагрузки в инверторе возникают
"сквозные" токи, значительно понижающие надежность и КПД устройства в целом, а в коммутаторах, где подобных явлений. не наблюдается, эначи«о тельно уменьшается диапазон регулирования эа счет появления йерегули руеваюх пауз íà spew рассасывания носителей в транзисторах. Это приводит к повыюению амплитуды пульса-. ций, увеличению габаритной мощности устройства и его массы.
Известен способ и устройство повыаения эффективности высокочастотных
;ранзисториых инверторов, в .которых
2о управление происходит от двух задающих генераторов прямоугольной формы.
При этом первый подключен к баэо-коллекторным., переходам и сфазирован со вторый, подключенным к базо-эмит
3 94224 терным переходам транзисторов, таким образом, чтобы изменение полярности
его напряжения происходило раньше на время выхода транзистора из насыщения (3).
Недостатком известного устройства . является неоправданно завышенная габаритная мощность первого генератора, который должен быть рассчитан на полное напряжение заданной частоты to и максимальное значение тока, который тем не менее потребляется импульсно на очень малом промежутке периода. Здесь возникают серьезные труд-, ности переключения такого генератора: iS и обеспечения его нормальной работы при резко переменной нагрузке.
Цель изобретения - повышение технико"энергетических характеристик регулятора.
Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе напряжения, содержащем инвертор на транзисторных ключах с усилителем-формирователем управлякщего сигнала и с блоками подготовки их к выключению, соединенными с базо-коллекторными переходами транзисторов р коммутаторов, выполненных, например, по схеме мостового инвертора, задающий генератор, подключенный к формирователю тактовых Эмпульсов и к формирователю встречно изменяющихся пилообразных напряжений, соединенных с управляющим входом регулятора и с двумя каналами управления каждым коммутатором, включаю" щими компаратор с цепями, задающими порог срабатывания, формирователь блокирующих импульсов и ведомый автогенератор, выходом подключенный к базо-эмиттерным переходам транзис40 торных ключей коммутаторов, каждый канал управления выполнен из последовательно соединенных компаратора, формирователя блокирующих импульсов, дополнительно введенного блока подготовки выключения транзисторных клю-, чей коммутатора и ведомого автогенератора, синхронизируюшим входом соединенного с усилителем-формирователем управляющего сигнала инвертора и через блок подготовки выключения
его транзисторов с задакщим генератором, причем первый и дополнитель" но введенный второй формирователи тактовых импульсов подключены соответственно ко второму и третьему вхо- дам Формирователей блокирующих импульсов:.каждого канала.
1 4
При этом блок подготовки выключения может быть выполнен, например, в виде импульсного усилителя с транс форматорным выходом с амплитудой и длительностью сигнала не меньше необходимых для рассогласования неосновных носителей из области базы транзисторных ключей инвертора и коммутаторов.
Усилитель-формирователь выполнен на базе триггера со счетным входом и трансформаторного усилителя мощности ..
Формирователь блокирующих импульсов выполнен в виде двух последовательно включенных логических элементов 2И-НЕ, причем его первый и второй входы образованы входами перsoro элемента, третий - входом второго, а выход - выходом последнего.
На фиг. 1 приведена блок-схема регулятора напряжения, на фиг. 2 и
3 - временные диаграммы в узловых точках схемы, на фиг. 4 - пример выполнения формирователя блокирующих импульсов, на фиг. 5 - временные диаграммы в узловых точках формирователя блокирующих импульсов.
Регулятор напряжения содержит мостовой инвертор 1 с ключевыми элементами 2"5, в диагональ которого включен высокочастотный трансформатор 6, питающий вторичными обмотками И мостовых коммутаторов 7 и .8, на ключах 9-12, соединенных последовательно с нагрузкой 13 и фильтром
14, а также задающий генератор 15, подключенный к формирователям 16 и
17 тактовых импульсов и к формирователям 18 и 19 линейно нарастающего и линейно спадающего пилообразных напряжений, соответственно, соединенных с управляющим входом регулятора 20 и с двумя каналами 21 и 22 управления, каждым коммутатором
7 и.8.
Канал управления состоит из последовательно соединенных .компаратора 23 с цепями 24, задающими его порог срабатывания, формирователя
25 блокирующих импульсов, блока 26 подготовки выключения транзисторных ключей 9-12 коммутатора и ведомого автогенератора 27, соединенного с усилителем-формирователем 28 управляющего сигнала инвертора 1 и через блок 29 подготовки выключения его транзистора с задающим генератором 15. Выход ведомого автогене5 942241 6 ратора 27 через трансформатор 30 и резистор 31 подключен к базо-эмит терным переходам двух транзисторных ключей коммутатора, а выход блока
26.подготовки выключения через диод 32 - к базо-коллекторным переходам. Кроме того, выход усилителяформирователя 28 через трансформатор 33 и резистор 34 соединен с базо-эмиттерными переходами транэис- 10 . торов инвертора, а выход блока 29 подготовки выключения через диод .
35 подключен к базо-коллекторным переходам его,транзисторов.
Регулятор работает следующим об- 1З разом. Задающий генератор 15 работает на повышенной частоте и формирует импульсные сигналы с большой скваж- ностью 36 (фиг. 2), которые используются в качестве управляющих в блоке 29 подготовки выключения. Здесь они проходят через импульсный усилитель и трансформатор и формируют-. ся по амплитуде и длительности, необходимых для рассасывания неосновных носителей иэ области базы транзисторных ключей 2-5 инвертора
l (кривые 37 на фиг. 2). На баэоэмиттерные переходы транзисторов инвертора подается сигнал 38 управления прямоугольной формы, сформированный в усилителе-формирователе 28 по задним фронтам сигнала с блока
29 подготовки. Ио тактам задающего генератора в фррмирователФх 18 и 19 встречно изменяющихся пилообразных напряжений, вырабатывается линейно нарастающее 39 и линейно спадающее
40 пилообразные напряжения, которые суммируются с входным управляющим сигналом 41 и подаются на входы компараторов 23 всех каналов, где каждая пара построена на собственный постоянный уровень 42 срабатывания.
По мере изменения величины входного сигнала 41 (фиг. 2 и 3) соответственно перемещаются пилообразные напряжения.и пересекают уровни 42 (фйг. 2) и 1-Ч (фиг.3), задаваемые цепями 24 смещения, происходит сравнение линейно изменяацихся напряжений с этими уровнями и на выходе компаратора 23 вырабатываются сигналю 43 и 44, модулированные по длительности, которые проходя .через формирователи 25 блокируацих им" . пульсов, совместно с сигналами 45 и
46 (фиг. 5) формирователей тактовых импульсов, получают ограничение по тактам в крайних режимах,47 и 48.
Ограничение позволяет получить на выходе блоков подготовки выключения постоянно присутствующие имйульсы. 49 и 50 с длительностью, равной длительности с блока подготовки выключения в канале управления инвертором 1. Полученная последовательность импульсов 49 и 50 сдвигается относительно тактов 36 зада" ющего генератора 15 (при увеличе" нии входного сигнала 41) в одном канале в сторону опережения 50, а в другом - в сторону отставания
49. Ведомые автогенераторы 27,. содержащие 3К-триггер и усилитель мощности, по счетному входу переключаются по задним фронтам импульсов ,49 и 50 с блоков подготовки выключения, à по входам 3и К триггеры синхронизируются по фазе сигналом 38 управления инвертором 1, в результате чего на выходе вырабатываются прямоугольные импульсы 51 и 52, поступающие совместно с сигналом
49 и 50 блоков подготовки выключения на управление, например, коммутатором 7, причем сигнал с блока подготовки поступает на базо-коллекторный переход и обеспечивает предварительное рассасывание избыточного заряда иэ области базы транзисторных ключей коммутатора перед их выключением, а с ведомых автогенераторов - на базо-эмиттерный переход, обеспечивая тем самым управление ключами. Каждый канал управления под ключается к смежным (работакщим в ° . противофазе), например верхним, ключам.9 и 11, а идентичный второй канал - к нижним 10 и 12. В результате указанного алгоритма переключения ключей коммутатора обеспечивается на нагрузке регулирование напряжения с однополярной реверсивной широтноимпульсной модуляцией 53 (фиг. 2) на двух уровнях. Дальнейшее увеличение входного сигнала 41 обеспечи- вает еще большее смещение линейно изменякщихся напряжений 39 и 40. Сравнение.. на прежнем постоянном уровне исчезает, автогенераторы коммутатора
7 продолжают работать по сигналам блокировочных импульсов 47 и 48 с формирователем 25. Линейно изменяю- . щиеся напряжения сравниваются теперь со следующим постоянным уровнем опорного напряжения коммутатора, а выход7 9422 ное напряжение регулирувтся в последующих двух зонах, амплитуда которого определяется ЭДС секции обмотки трансформатора, включенной в диагональ коммутатора. При наличии И коммутаторов реализуется регулирование выходного напряжения в 2И, зонах. обеспечивая на нагрузке 13 наиболее точную аппроксимацию 54 входного сигнала 41 (фиг. 3) импульсно-модуля- 10 ционным методом. Выходное напряжение
55 регулятора сглаживается фильтром
14, который имеет минимальные массогабаритные показатели. Использование в формирователях 25, 16 и 17 бло- 15 кирующих и тактовых импульсов логических элементов, выполненных на интегральных схемах, позволяет значительно уменьшить длительность получаемых импульсов, определяемых временем срабатывания триггера в автогенераторах, тем самым обеспечить наибольший диапазон регулирования.
Введение блоков подготовки выключения транзисторов в каждый канал g5 регулятора позволяет значительно расширить диапазон регулирования как при максимальных, так и при минимальных . значениях тока нагрузки. В то же время повышается КПД регулятора за счет уменьшения потребляемого тока5 схемы управления. Введенный формирователь тактовых импульсов повышает надежность регулятора за счет исключения сбоев в схеме управления в крайних зонах ре гулирования.
Испытан регулятор напряжения постоянного тока мощностью 2 кВА с частотойй преобразо ва ния инверт ором
20000 Гц. Количество коммутаторов И =4, при этом количество регулируемых зон 2И-3. Регулятор обрабатывает сигналы управления, изменяющиеся с частотой до 5000 Гц при коэффициенте нелинейных искажений не более 24
Длительность с блоков подготовки выключения, позволяющих производить предварительное рассасывание неосновных носителей из области базы, составляет 3-5 мкс, а такое запаздывание не ухудшает характеристик регулятора КПД регулятора составил в номинальном режиме 893 при выходном среднем значении напряжения 1000 В.
Масса регулятора в целом 3,5 i l. Регулятор напряжения, содержащий инвертор на транзисторных ключах с усилителем-формирователем уп41 равляющего сигнала и с блоками подготовки их к выключению, соединенными с базо- коллекторными: переходами транзисторов 1 коммутаторов, выполненных, например, по схеме, мостового инвертора, задающий генера. тор, подключенный к формирователю тактовых импульсов и к формирователям встречно изменяющихся пилообраз- ных напряжений, соединенных с управляющим входом регулятора и с двумя каналами управления каждым коммутатором, включающими компаратор с цепями, задающими порог срабатывания, формирователь блокирующих импульсов и ведомый автогенератор, выходом подключенный к базо-эмиттерным переходам транзисторных ключей коммутаторов, о т л и ч а ю щ и й.с я тем, что, с целью повышения техникоэнергетических показателей, каждый канал управления выполнен из последовательно соединенных компаратора, формирователя блокирующих импульсов, дополнительно введенного блока подготовки выключения транзисторных ключей коммутаторов и ведомого автогенератора, синхронизирующим входом соединенного с усилителем-формирователем управляющего сигнала инвертора и через блок подготовки выключения его транзисторов с задающим генератором, причем первый и дополнительно введенный второй формирователи тактовых импульсов подключены соответственно ко второму и третьему входам формирователей блокирующих импульсов каждого канала. 2. Регулятор по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что блок подготовки выключения выполнен в виде импульсного усилителя с трансформаторным выходом с амплитудой и длительностью сигнала не меньше необходимых для рассасывания неосновных носителей из области базы транзисторных ключей инвертора и коммутаторов. 3. Регулятор по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что усилитель-формирователь выполнен на базе триггера со счетным входом и трансформаторного усилителя мощности. 4. Регулятор no nn. 1-3, о т л ич а ю шийся тем, что формирователь блокирующих импульсов выполнен в виде двух последовательно включенных логических элементов 2И-HEt, причем его первый и второй входы 9 942241 образованы входами первого элемента, третий - входом второго, а выходвыходом йоследнего. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР по заявке М 2366756/24-07, Н 02 Р 13/16, 1976. 2. Авторское свидетельство СССР о заявке N 2531307/24-07, Н 02 P 13/16, 1.977. 3. Дробович Ю.И. и.др. Способ поS вышения эффективности высокочастотных транзисторных инверторов. В кн. Проблемы технической электродинамики. "Наукова думка", 1978, V 65, с. 9-11. 942241 4ьт4 ираж одписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, а-35, Рауаскм на@., д. 4/5 аказ атвнт, r. жгород, ул. роектная, или ел Составитель Г.Мыцык Редактор Ю.Ковач Твхред М. Рейвес. Корректор Е.Роако!
